Μία εξελικτική προσέγγιση στη συμβιωτική περιπέτεια ανθρώπων και φυτών Γιάννης Μανέτας Εργαστήριο Φυσιολογίας Φυτών, Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Πατρών
Τίποτα δεν έχει νόημα στη Βιολογία, αν δεν το εξετάσουμε κάτω από το φως της Εξέλιξης (Theodosius Dobzansky, 1900-1975) (Πάρα πολύ) απλά μαθήματα εξελικτικής βιολογίας Τα άτομα στους πληθυσμούς διαθέτουν ποικιλομορφία χαρακτήρων Οι (περισσότεροι) χαρακτήρες είναι κληρονομήσιμοι Το (εκάστοτε) περιβάλλον ασκεί αυστηρή ετυμηγορία μέσα από την αναπαραγωγική λειτουργία των ατόμων στον πληθυσμό: τα άτομα με τους επιτυχέστερους χαρακτήρες αφήνουν περισσότερους απογόνους, αυξάνοντας τη συχνότητα των αντιστοίχων χαρακτήρων στον πληθυσμό. Ως περιβάλλον δεν εννοούμε μόνο το φυσικό. Οι ζωντανοί οργανισμοί αποτελούν επίσης στοιχεία της φύσεως. Η παρούσα ποικιλομορφία διατηρείται με την ανάμειξη των γονιδίων (φυλετική αναπαραγωγή), ενώ νέοι (αλλά σπανίως καινοτόμοι) χαρακτήρες οφείλονται σε τυχαίες μεταλλάξεις Η Ζωή διαθέτει εγγενώς και υποχρεωτικά την ικανότητα αέναης αλλαγής, δεδομένου ότι το περιβάλλον (οι κανόνες της ετυμηγορίας) μεταβάλλεται συνεχώς Η εξελικτική διαδικασία είναι αποτέλεσμα τύχης (μεταλλάξεις) και αναγκαιότητας (φυσική επιλογή)
Εξημερωμένο είδος είναι αυτό που ο εξημερωτής αναπτύσσει σε ειδικό χώρο, όπου ελέγχεται η διατροφή και η αναπαραγωγή του. Ως αποτέλεσμα, τα (γενετικά) χαρακτηριστικά του αλλοιώνονται, αποκλίνει από τον άγριο πρόγονο και γίνεται περισσότερο χρήσιμο στον εξημερωτή.
Η συμβίωση παραμορφώνει Στη συμβίωση, οι δύο συνεταίροι λειτουργούν ως αμοιβαία δύναμη επιλογής
Μία σύντομη αναδρομή στην εξέλιξη του ανθρώπου
Συλλογή άγριων σιτηρών σε ημι-νομαδικούς πληθυσμούς, στην όψιμη Παλαιολιθική περίοδο
Βραχογραφία από το σπήλαιο Chauvet. Υποδεικνύει γνωστική επάρκεια και ικανότητα συμβολισμού στο ανθρώπινο είδος εδώ και τουλάχιστον 30.000 χρόνια.
Ωστόσο, χρειάζεται γνωστική ικανότητα για την εξημέρωση; Δεν είμαστε οι πρώτοι, τα μυρμήγκια μας ξεπερνούν κατά 50 εκατομμύρια χρόνια
Τι λοιπόν ανάγκασε τον άνθρωπο να καλλιεργήσει; Το ψυχρό επεισόδιο της νεότερης Δρυάδας (younger Dryas)
Το σύνδρομο της εξημέρωσης Ι: κύριοι και κοινοί χαρακτήρες των εξημερώσιμων φυτών Χαρακτήρας Άγριος πρόγονος Εξημερωμένος απόγονος Ύψος Μεγάλο Μικρό Μορφή Πολύκλαδη και πυκνή Ολιγόκλαδη Λήθαργος σπερμάτων Έντονος Απουσιάζει Μέγεθος σπερμάτων Μικρό Μεγάλο Διασπορά σπερμάτων Επιτυχής Απουσιάζει Ωρίμανση και φύτρωση σπερμάτων Ασύγχρονη Σύγχρονη Αναπαραγωγή Εξωγαμία Αυτεπικονίαση Τριχώματα και αγκάθια Παρόντα Απόντα Τοξικότητα Υψηλή Απούσα ή ελαττωμένη
Γιατί εξημέρωσε τόσα λίγα; Το σύνδρομο της εξημέρωσης ΙΙ: Γενετικές ιδιομορφίες των επιρρεπών προς εξημέρωση φυτών Ο χρήσιμος προς επιλογήν χαρακτήρας εξαρτάται από ένα ή ολίγα γονίδια. Ως παράδειγμα, η αμυγδαλιά και η βαλανιδιά. Ομοίως, η διασπορά των σπερμάτων στο ρύζι, τη φακή (ένα γονίδιο) και τα υπόλοιπα σιτηρά (δύο γονίδια). Εύκολος υβριδισμός μεταξύ ποικιλιών ή ειδών εντός του γένους. Μεγάλη πλαστικότητα και αναμειξιμότητα γονιδιώματος. Μεγάλο ποσοστό πλεονάζοντος (μη μεταγραφόμενου) DNA, πολλά μεταθετά στοιχεία. Η μετακίνηση ενός μεταθετού στοιχείου σε άλλη θέση μπορεί να κάνει κρίσιμα γονίδια να σιγήσουν. Η διαφορά μεταξύ σκληρού και μαλακού σιταριού οφείλεται στη σίγηση ενός γονιδίου. Ένα σύνολο κρίσιμων χαρακτήρων ομαδοποιούνται σε ένα χρωμόσωμα. Ως παράδειγμα, το χρωμόσωμα 8 στο καλαμπόκι (και στον άγριο πρόγονό του) περιέχει γονίδια που ελέγχουν τη διασπορά σπερμάτων, την αναλογία αρσενικών/θηλυκών ταξιανθιών, το μήκος των μεσογονατίων διαστημάτων, τον αριθμό των σπυριών ανά κεφάλι και τη σκληρότητα του σπυριού. Σίγηση ενός ρυθμιστικού γονιδίου επηρεάζει όλα τα παραπάνω προς την ίδια (χρήσιμη για τον άνθρωπο) κατεύθυνση και κάνει το teosinte εξημερώσιμο, δηλαδή καλαμπόκι. Ολίγα κυρίαρχα (δεσποτικά) ομοιωτικά γονίδια ελέγχουν πολλούς ποσοτικούς χαρακτήρες.
Πώς το Teosinte έγινε καλαμπόκι
Έγινε πιο άνετη η ζωή των καλλιεργητών; Γιατί καλλιέργησαν; Γιατί αντικατέστησαν τις 20 μόλις ώρες εβδομαδιαίας εργασίας με το συνεχή μόχθο κάτω από τον ήλιο; Γιατί παραιτήθηκαν από τη διασκέδαση του κυνηγιού; Γιατί αποφάσισαν να δουλεύουν σκληρότερα για μία διατροφή υποδεέστερη και περισσότερο αβέβαιη; Γιατί προτίμησαν το λιμό, τη νοσηρότητα και το συνωστισμό των πόλεων; (Jack Harlan, 1917-1998)
Έγινε ο άνθρωπος υγιέστερος; Σύγκριση σκελετών κυνηγών - τροφοσυλλεκτών και καλλιεργητών εκείνης της περιόδου υποδεικνύει ότι οι δεύτεροι είχαν Μικρότερο ύψος (Ίσως) μικρότερο προσδόκιμο επιβίωσης Μεγαλύτερη νοσηρότητα
Γιατί οι καλλιεργητές απέκτησαν χειρότερη υγεία; Ο συνωστισμός διευκόλυνε τις επιδημίες Ο στενός συγχρωτισμός με οικόσιτα ζώα μεταβίβασε στον άνθρωπο μεταλλαγμένα παθογόνα (φυματίωση, ιλαρά, ευλογιά, διφθερίτιδα από βοοειδή και αιγοπρόβατα, γρίπη από γουρούνια και πουλερικά) Η σχεδόν αποκλειστική διατροφή με αμυλώδη δημητριακά οδήγησε σε ελλείψεις βιταμινών και ιχνοστοιχείων
Μία σύγκριση της διατροφής του παλαιολιθικού ανθρώπου με τον σύγχρονο αμερικάνο
Ωστόσο, ο πληθυσμός αυξήθηκε. Στην εξέλιξη, κάτι που είναι κακό για το άτομο μπορεί να είναι καλό για τον πληθυσμό, και αντιστρόφως Νομαδισμός, μόνιμη εγκατάσταση, παιδική και μητρική θνησιμότητα, απογαλακτισμός και ρυθμός γεννήσεων Κακή ποιότητα τροφής, αλλά μεγαλύτερη απόδοση Γεωργία και κτηνοτροφία, μόνιμη εγκατάσταση, δημιουργία πλεονάσματος, διαχείριση του πλεονάσματος, κοινωνική στρωμάτωση και ιεραρχία, γραφή, γραφειοκράτες, άρχοντες, βασιλείς και άλλα παράσιτα Μόνιμη εγκατάσταση, πλεόνασμα, τεχνολογία και πολιτισμός Πλεόνασμα τροφής και τεχνολογία ως δύναμη επιβολής
Η γεωργία ως εξελικτική δύναμη επιλογής στο ανθρώπινο είδος Η απόκτηση μερικής ανοσίας ως πλεονέκτημα έναντι ανταγωνιστικών πληθυσμών. Το ξεκλήρισμα των Αζτέκων, Ίνκας, Ινδιάνων, Αβορίγινων και Πολυνήσιων Δρεπανοκυτταρική αναιμία, ελονοσία και το πλεονέκτημα του ετεροζυγώτη Απογαλακτισμός, κτηνοτροφία και ανοχή στη λακτόζη Αποτρίχωση, χρώμα δέρματος και βιταμίνη D Γουδιά, μαγείρεμα, σμίκρυνση της γνάθου και οδοντικός συνωστισμός Όταν η βιολογική εξέλιξη αργοπορεί: αδηφαγία, νηστεία, μεταβολικό σύνδρομο και η σύγχρονη επιδημιολογική μετάβαση
Αρχαία κέντρα εξημέρωσης ζώων και φυτών (κόκκινο) και τα κυριότερα σημερινά κέντρα παραγωγής τροφής
Τα ορόσημα της γεωργικής εξέλιξης από την εμφάνισή της μέχρι τον Θεόφραστο 12.500 χ.π., την εποχή της Νεότερης Δρυάδας, στη Γόνιμη Ημισέληνο, καλλιεργούνται για πρώτη φορά ορισμένα δημητριακά 8.000 χ.π., στη Νότια Μεσοποταμία εμφανίζεται η άρδευση και η διαχείριση του νερού 6.500 χ.π., στο ίδιο μέρος εμφανίζεται το άροτρο 5.500 χ.π., εξημερωμένα ζώα χρησιμοποιούνται για έλξη 4.500 χ.π., η μονοκαλλιέργεια του κριθαριού στηρίζει τις μεγάλες απολυταρχικές αυτοκρατορίες της Ανατολικής Μεσογείου 4.200 χ.π., μερικές δεκαετίες ξηρασίας και ψύχους οδηγούν την αυτοκρατορία των Σουμερίων σε κατάρρευση. Αναδύεται η Βαβυλώνα 3.790 χ.π., οι νόμοι του Χαμουραμπί για τη γεωργία και την άρδευση 2.700 χ.π., εκτεταμένη χρήση τεχνητής επικονίασης στα δέντρα 2.700-2.560 χ.π., ακμάζουν οι κρεμαστοί (βοτανικοί) κήποι της Βαβυλώνας 2.669-2.623 χ.π., ακμάζει η βιβλιοθήκη της Νινευή. Περιλαμβάνει καταλόγους χρήσιμων φυτών 2.420-2300 χ.π. Δημόκριτος, Ηρόδοτος, Θεόφραστος και η πρώτη συστηματική περιγραφή της μορφής και της λειτουργίας των φυτών
Ο Νατούφιος πολιτισμός
Μόνιμη εγκατάσταση και καλλιέργεια σιτηρών χωρίς άρδευση, περίπου 9500 χ.π, κάπου στη Μεσοποταμία
Εκτεταμένη αρδευόμενη καλλιέργεια, περίπου 5000 χ.π., κοντά στον Ευφράτη. Συνωστισμός στις πόλεις και ιεραρχική κοινωνική οργάνωση
Οι δεσποτικές αυτοκρατορίες των Σουμερίων και η κατάρρευσή τους: υπέρ-εντατική καλλιέργεια και κλιματική αλλαγή
Γραφή και γραφειοκρατία στους Σουμέριους Mundus
Τα ορόσημα της γεωργικής εξέλιξης κατά την Αναγέννηση και τη Βιομηχανική επανάσταση 1500 και μετέπειτα. Αποικιοκρατία και διασπορά των καλλιεργειών. Το παράδειγμα του ζαχαροκάλαμου και του εμπορίου ανθρώπων. 1645. Η πρώτη αναφορά για την εναλλαγή καλλιεργειών. 1655. Ο άνθρωπος βλέπει τα κύτταρα για πρώτη φορά. 1694. Ο άνθρωπος αντιλαμβάνεται τα μυστικά της αναπαραγωγής των φυτών 1750. Εμφανίζονται οι πρώτοι βοτανικοί κήποι στην Ευρώπη και αναπτύσσεται πλήρως η αυτοκρατορική βοτανική. 1758. Εφαρμόζεται ο υβριδισμός. 1840. Βελτίωση εδαφών με ανόργανα λιπάσματα. 1850. Ο Βορδιγάλειος πολτός. 1866. Ο Mendel ανακαλύπτει τους νόμους της κληρονομικότητας. 1868. Ο Darwin δημοσιεύει το βιβλίο του για την ποικιλότητα και την εξέλιξη των εξημερωμένων ζώων και φυτών
Το τριγωνικό εμπόριο και η δημογραφία της Αμερικής
Τα ορόσημα της γεωργικής εξέλιξης στον εικοστό αιώνα 1905. Κάποια γονίδια επηρεάζουν τη δράση άλλων γονιδίων. 1918. Αναγνωρίζεται η πολυγονιδιακή φύση των συνεχών χαρακτήρων και τίθενται οι βάσεις της ποσοτικής γενετικής που λαμβάνει υπ όψιν και τις επιδράσεις του περιβάλλοντος 1925-1938. Ο Nikolai Vavilov, τα κέντρα εξημέρωσης και οι τράπεζες σπερμάτων. 1926-1940. Οι ακτίνες Χ προκαλούν μεταλλάξεις. Η μεταλλαξιγένεση ως εργαλείο παραγωγής νέων χαρακτήρων και η εργαστηριακή καλλιέργεια κυττάρων και ιστών ως εργαλείο επιλογής μεταλλαγμάτων. 1940-1950. Η δύναμη των ζώων αντικαθίσταται από τη δύναμη των μηχανών. 1953. Ανακαλύπτεται η δομή του DNA από τους Watson και Crick 1953. Η Barbara Mc Clintock ανακαλύπτει τα μεταθετά στοιχεία. 1965-1985. Οι νάνες ποικιλίες, η πράσινη επανάσταση και το μοναδικό Nobel (Ειρήνης) σε γεωπόνο. 1987. Αναπτύσσεται η τεχνολογία της γενετικής τροποποίησης με εισαγωγή αλλότριων γονιδίων στα φυτά μέσω μολυσματικών παραγόντων (Agrobacterium tumefasciens). Η γεωπονική έρευνα αφήνει πίσω της 100 χρόνια παραγωγικής φιλοξενίας στο Δημόσιο Τομέα και σταδιακά περνά στις βιοτεχνολογικές εταιρείες. 1996. Κυκλοφορούν εμπορικά τα πρώτα γενετικώς τροποποιημένα φυτά με ενσωματωμένους χαρακτήρες αντοχής στα ζιζανιοκτόνα και τα έντομα (καλαμπόκι, σόγια, βαμβάκι, ελαιοκράμβη).
Ο ανθρώπινος πληθυσμός από την εμφάνιση του είδους μας μέχρι σήμερα και η σημερινή χρήση γης
Μερικά πρόσωπα C. Darwin G. Mendel B. Mc Clintock N. Vavilov N. Borlaug
Ένα καίριο και επίκαιρο ερώτημα: Είναι, τελικώς, το ανθρώπινο είδος εξημερώσιμο; Πόσο πειθήνιοι, συνεργάσιμοι, πρόθυμοι και απαθείς μπορούμε να γίνουμε; Α. Γενετικές προσεγγίσεις Μεγάλα ποσοστά πλεονάζοντος DNA Ύπαρξη μεταθετών στοιχείων Γενετικές αλλαγές που επελέγησαν από την γεωργία και την κτηνοτροφία Β. Επιγενετικές προσεγγίσεις Μεγάλος εγκέφαλος, πλαστικότητα και ευελιξία στη συμπεριφορά. Μαθησιακή ικανότητα, ρύθμιση κανόνων ανατροφής και αγωγής. Η απαισιόδοξη προοπτική: βλέπε τη Δίκη του Kafka, το 1984 του Orwell, μερικά βιβλία του Νoam Tsomsky και τις Ειδήσεις των οκτώ. Η αισιόδοξη προοπτική: πάντοτε υπήρχε ένα ποσοστό λελογισμένως δύστροπων και ορθώς απείθαρχων φαινοτύπων.